初中生計算思維能力的現狀調查及對策研究

張菊芳?王海燕

摘 要：隨著2017版《普通高中信息技術課程標準》的制定和頒布，計算思維的培養越來越受到學校教育的關注。為了探討如何加強初中與高中學生計算思維能力培養的銜接工作，本文以八年級學生為研究對象，從計算思維的內涵出發，以計算思維的概念框架為線索，設計了與計算思維五要素——算法、分解、抽象、評估和概括相關的問卷，通過問卷調查分析學生的計算思維能力，并以此提出相應的對策建議，旨在為學生計算思維的培養提供參考借鑒。

關鍵詞：信息技術;計算思維;現狀調查;對策研究

中圖分類號：G434文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2018）06-0046-05

一、設計與調查

計算思維由麻省理工學院的西蒙·派珀特（Seymour Papert）教授于1996年最早提出[1]，最受關注的代表人物是美國卡內基梅隆大學的周以真教授（Jeannette M.

Wing）。2006年，周以真教授在美國計算機權威雜志上公開定義了計算思維的概念。她認為，計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[2]。

2013年，英國南安普敦大學的辛西婭·塞爾比

（Cynthia Selby）博士和約翰·伍拉德（John Woollard）博士根據一項調查發展了計算思維的定義。他們認為計算思維是一種活動，是一個認知或思考的過程，是一種以產品為導向又不局限于解決問題的過程，并借助一個表格總結了12個有關計算思維定義的核心要素，通過排除某些因素縮小了定義的范圍，最終得出計算思維包含5個方面，即算法思維（Algorithmic Thinking）的能力、分解（Decomposition）角度思考的能力、抽象（Abstraction）思維的能力、在評估（Evaluation）方面思考的能力以及概括（Generalisation）思維能力。這個定義將解決問題的算法、分解、抽象、評估、概括的思想過程密切聯系在一起[3]。

本文試圖基于筆者所在實習學校使用的西安交大版八年級下冊的信息技術教材，借助計算思維的概念框架和教材第二章——認識計算機程序的教學內容來設計教學的前測問卷，以期了解初中生計算思維能力的現狀。在數據調查和統計過程中，先選2個班進行問卷的信度和效度檢驗，刪除未達標題項，最后得出克隆巴赫系數（Cronbachs α）為0.779，大于0.7，KMO值（用于判斷是否有效度）為0.769，在0.7到0.8之間，意味著問卷的信效度可行，因此可以對正式問卷做進一步的統計分析。以另外8個班共448名學生作為研究對象發放問卷，借助Excel和SPSS 22.0，針對400份有效問卷對學生的計算思維能力進行分析。

本研究中問卷所起到的作用，一方面是調查八年級學生的計算思維能力，另一方面是作為本章學習內容的引導性材料。問卷除對學生的性別和年級基本情況進行調查外，還包括學生對計算思維的認識和態度傾向及與計算思維五要素相關的測試題目。

調查具體項目緊緊圍繞計算思維五要素——算法、分解、抽象、評估和概括展開。其中，“算法”主要了解學生學習解決問題的具體步驟和方法的能力;“分解”主要了解學生將問題分成若干個子問題，使復雜問題得以模塊化解決的能力;“抽象”主要了解學生明確問題要求后分析問題，然后再把問題抽象成數據結構和數學模型的能力;“評估”主要是了解學生對自己提出的解決方案不斷論證和判斷的能力;“概括”主要了解學生把抽象出來的事物的本質屬性相聯系，運用遷移獲得新知識的能力。

二、調查結果分析

（一）學生對計算思維的基本認識

經調查得知，學生對計算思維大多比較陌生，其中知道這個概念的學生才占17.65%。認為計算思維非常重要的學生占35.51%，可見大多數學生并未意識到計算思維的重要性。在接受計算思維相關訓練方面，專門針對學生計算思維的相關訓練較少，接近一半的學生表示從來沒有接受過相關訓練，而認為經?；蛘呖偸墙邮苡柧毜膶W生只有13.5%左右。針對以上分析，可以得出學生對計算思維的重要性認識不足，相關培養工作更是非常欠缺。

（二）學生在計算思維方面的能力現狀

這部分主要以問卷典型的題目為例，借助圖表和數據對學生思維方面的能力進行具體分析（題目考察角度原因，在此就把算法思維放后面和評估思維一起論述）。

1.分解思維

“你用什么方法計算1-2+3-4+…+99-100的結果？”這道題需要用分解思維，調查得知，兩兩相減再求和是最快的解決方案，有239名學生選擇正確，占到總人數的59.8%，即一半左右的學生答對，整體分解思維能力一般，并且這種思維能力大多從數學學習中獲得，在程序設計中還須通過應用實現遷移才可以達到培養的目的。

2.抽象思維

“求數列1、1、2、3、5、8、13、21、X、55中X的值”這道題目考查學生抽象思維能力。經分析不難發現，這個數列的規律是第3個數等于前2個數的和，將其公式化為Fn=Fn-1+Fn-2（n>2），所以X的值為13+21=34。調查可知，49.8%的學生可以找出數列的規律，即幾乎有一半的學生答對，抽象思維能力一般。

3.算法和評估思維

問卷題目：有一商品價格在40元以內，采取什么策略能在較短的時間內猜出正確的價格？（假設商品價格為15元）

在數學領域中，二分法是針對區間[a，b]上連續不斷且f（a）·f（b）<0的函數y=f（x），通過不斷地把函數f（x）的零點所在的區間一分為二，使區間的兩個端點逐步逼近零點，進而得到零點近似值的方法。同理，在編程語言中二分法的基本理念是假設數據是升序排列的，在尋找給定值x時，從序列的中間位置開始比較，如果中間值等于x，則查找成功;若x小于中間值，則在數列的前半段的中間位置繼續查找;若x大于中間值則在數列的后半段中繼續查找，直到找到為止。在設計算法時，針對較大的數據量則適宜采用該方法。采用二分法查找時，數據需是排好序的。上述這個問題應用了二分法的理念，解決這個問題的過程既體現算法思維，又體現評估思維，設計算法就是要提出具體的操作步驟;評估思維主要用于反思和判斷自己的算法是否合理和最佳，猜一個指定范圍的商品價格通常是可以按步驟完成的。

商品價格是15元，猜在40元之內的商品價格的具體步驟主要分為三步：第一步，商品價格是20元（用二分法找指定范圍的中間值，即0—40的中間值），主持人說太高;第二步，商品價格是10元（0—20的中間值），主持人說太低;第三步，商品價格是15元（10—20的中間值），主持人說猜對了。

調查可知有44%的學生得出正確的方案，可見不到一半的學生對二分法基本了解，能夠設計出對應的算法，并且個人能夠對這個過程進行評估。

4.概括思維

因為二分法是數學領域的術語，大多數學生已經有了這方面的基礎，此處只是檢驗學生的遷移能力，所以此處主要是檢驗學生是否會用二分法解決問題。

問卷題目：有24個小球，其中有一個質量比其他的輕，利用天平測量至少通過多少次能找到這個小球？

調查得知，有68%的學生找出了方案，即這些學生能將以前所學的二分法的技巧應用于解決這個問題，當然也不排除學生靠經驗和直覺解決問題，即使他們并不知道什么是二分法。所以得出結論，一半以上的學生表現出了概括思維能力。

由上所述，從整體來看，學生對計算思維的認識不足，接受的訓練不夠，對計算思維五要素的理解遠遠未達到課標的要求，因此需在后續的教學及研究中繼續探索。

三、建議對策

（一）教師要重視計算思維的培養，在教學中積極挖掘有關計算思維的內容

教師需要在教學過程中積極挖掘培養學生計算思維的內容，并用生活實例來展現這些內容，讓學生理解計算思維，更好地在問題應用中培養計算思維。

第一，以計算思維五要素為框架實現教學內容的模塊化。如在“認識計算機程序”這一章中，教材內容主要包括算法、流程圖設計及VB（一門計算機語言）的三種基本結構，所有的知識點都可以歸類到計算思維五要素之下，因此教師可用計算思維理念組織教學設計，將教學內容按模塊或環節歸類到五要素之中，其中每個要素可包含若干類活動，如表1所示算法思維為線索的教學活動設計。

第二，針對知識點，提煉計算思維的各要素。如“S=1-2+3-4+…+99-100，求S的值”這道題體現的計算思維要素主要有：①分解轉換公式——分解思維;②設計算法——算法思維;③判斷算法是否最優——評估思維;等等。

教師要勤于探索研究，選擇恰當的方法培養學生的計算思維，本著將課堂還給學生的理念，在講授知識點的同時要讓學生自己探究學習，利用小組合作和自身努力獲取實際生活所需的知識技能，如利用項目式學習開展課堂活動就體現了這樣的理念。有關項目式學習的定義較多，本文引用美國巴克教育研究所的觀點，即項目式學習是一套系統的教學方法，通過對復雜或真實問題進行探究、精心設計項目作品、規劃和實施項目任務，讓學生掌握所需的知識和技能的過程[4]。項目式學習主要包括提出符合學生興趣的問題、針對問題制訂解決方案、形成與方案相對應的作品和對整個過程進行交流評估四個環節，以項目式學習法培養計算思維，將更有利于提高學生的綜合能力。

為了培養學生的計算思維，以“認識計算機程序”為例開展項目，本章主要有6節教學內容，教學計劃分為7個課時，設計用4個課時來完成項目的前期準備，目的是為學生開展項目提供知識和工具，普及計算思維的基本知識，主要分為三部分：

首先，基于項目的學前培訓，引導學生完成有關計算思維的前測問卷（0.5課時）。

其次，初識VB及編程（成果實現的工具）（1.5課時）。

再次，選擇算法中的典型案例（至少包含計算思維的兩大要素），引導學生探索。其中，案例1（1課時）：S=1-2+3-4+…+99-100，求S的值。知識點包括轉換式子（分解思維）、算法及流程圖設計（算法思維）、程序編碼（多種思維解決問題）。案例2（1課時）：同表1活動設計中寄快遞的案例。知識點：列分段函數（抽象思維）、算法及流程圖設計（算法思維）、程序編碼（多種思維解決問題）。

要求：設計恰當算法，通過流程圖描述，能將算法轉換成程序語言并且通過VB設計出作品。項目的具體實施過程按照確定問題、制訂方案、形成作品、交流評估四個步驟來進行。

（二）選擇可測量的評價方式有效地評價計算思維

計算思維的評價不僅會對學生的學習效果進行反饋，同時會指導教師改進教學中出現的問題，因此評價是非常重要的。如針對上面提到的項目式教學案例，通過項目作品綜合評價、計算思維和算法等相關知識點測試來評價學生計算思維方面的學習成效，具體測量方法如表2所示[5]。

當然，有關計算思維的評價方式多種多樣，單憑一種測量方式對計算思維能力進行評價是有偏差的，因此針對不同的教學情境可以選擇不同的評價方式，如通過前后測問卷、反饋性訪談以及學生課堂交互觀察等進行全程評價;設置模擬現實的游戲化情境，通過查看問題的完成情況、分析源代碼或者操作心理等也可以對學生的計算思維能力進行評價[6]。

四、結語

計算思維的培養作為當前教育教學關注的焦點，人們不再僅僅關注大學或者高中階段這種思維的培養，對中小學或者幼兒園的思維啟發更加關注，所以在教學中對計算思維的培養要循序漸進，注意學生的水平和接受能力。針對思維意識較強的高年級學生要有意識地提供一些高難度的問題，來培養他們的思維品質;對于低年級的學生可以以問題解決和啟發為主，激發學生的主動性。通過實施靈活的教學手段，從而讓各個年齡階段的學生學會這種思維方式，以培養他們靈活解決各種問題的能力。

參考文獻

[1]PAPERT S.An Exploration in the Space of Mathematics Edu-cations[J].International Journal of Computers for Mathematical Learning（S1382-3892），1996，1（1）：95-123.

[2]WING J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM（S0001-0782），2006，49（3）：33-35.

[3]SELBY C，WOOLLARD? J.Computational Thinking：the?Developing Definition[C].Special Interest Group on Computer Science Education，Atlanta，2013.

[4]巴克教育研究所.項目學習教師指南：21世紀的中學教學法（第2版）[M].任偉，譯.北京：教育科學出版社，2008.

[5]教育部.普通高中信息技術課程標準[M].北京：人民教育出版社，2017.

[6]陳鵬，黃榮懷，梁躍，等.如何培養計算思維：基于2006—2016年研究文獻及最新國際會議論文[J].現代遠程教育研究，2018，（1）：98-112.

Investigation on the Status Quo of Junior Middle School Students Computational Thinking Ability and Countermeasures

ZHANG Jufang，WANG Haiyan

（School of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062）

Abstract： With the formulation and promulgation of the 2017 edition of Standards for Information Technology Courses in Ordinary High Schools，the cultivation of computational thinking has received more and more attention from school education.In order to explore how to strengthen the connection work between the computational thinking ability of junior high school and high school students，this study takes the eighth grade students as the research subjects，and starts from the connotation of computational thinking，and uses the conceptual framework of computational thinking as a clue to design a questionnaire which is related to the five elements of computational thinking：algorithm，

decomposition，abstraction，evaluation and generalization.It analyzes students computational thinking ability through the questionnaire survey.Based on this status quo survey，we propose some corresponding countermeasures，aiming to provide references for the cultivation of students computational thinking.

Key words： information technology;computational thinking;status quo survey;countermeasure research